新研究：魚類懸停在水中其實(shí)很“費(fèi)勁”
更新時(shí)間：2025/7/14 10:31:32 來源：新華社
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一項(xiàng)新研究發(fā)現(xiàn)，魚類懸停在水中時(shí)并不像看起來那般輕松，而是要消耗不少能量。這一發(fā)現(xiàn)為設(shè)計(jì)靈活的水下機(jī)器人提供了新思路。
美國加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校等機(jī)構(gòu)的研究人員在美國《國家科學(xué)院學(xué)報(bào)》上發(fā)表的論文介紹，科學(xué)界長期以來認(rèn)為魚類懸停在水中是一種類似休息的狀態(tài)，但他們通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，魚類在懸停時(shí)消耗的能量幾乎是靜止休息（即魚類靠著水底支撐重量）時(shí)的2倍，這是因?yàn)樗鼈冃枰粩鄤潉?dòng)魚鰭以維持身體穩(wěn)定。
研究人員對13種帶魚鰾的魚進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。他們將每條魚放入一個(gè)專門設(shè)計(jì)的水箱中，記錄它們在主動(dòng)懸停和靜止休息時(shí)的氧氣消耗情況。在魚懸停時(shí)，研究人員用高速攝像機(jī)拍攝它們，以捕捉每條魚鰭的運(yùn)動(dòng)方式及劃動(dòng)頻率。
研究人員還對每條魚的形態(tài)進(jìn)行了測量，特別是魚的重心與浮心（與魚鰾的位置和形狀有關(guān)）間的距離，以量化魚類的穩(wěn)定性水平。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，盡管魚鰾產(chǎn)生的浮力能讓魚類幾乎處于“失重”狀態(tài)，但重心與浮心不重合會(huì)導(dǎo)致魚類身體傾斜或翻滾，這迫使它們必須持續(xù)劃動(dòng)鰭來維持姿態(tài)。重心與浮心距離越大的魚種，在懸停時(shí)消耗的能量也越多，這表明對抗不穩(wěn)定性是懸停耗能的一個(gè)關(guān)鍵因素。
此外，魚類的體形和胸鰭位置也會(huì)影響其懸停效率。細(xì)長的魚類懸停效率較低，反之則懸停效率更高。胸鰭位置更靠后的魚在懸停時(shí)一般耗能更少，研究人員認(rèn)為這可能與杠桿效應(yīng)更好有關(guān)。
研究人員表示，這些發(fā)現(xiàn)可用于設(shè)計(jì)水下機(jī)器人和其他設(shè)備。以往水下機(jī)器人的設(shè)計(jì)傾向于追求高度穩(wěn)定的緊湊形狀，但就像魚類一樣，更穩(wěn)定的形狀往往意味著更差的機(jī)動(dòng)性。如果想讓水下機(jī)器人能在狹小空間中靈活穿梭，可以設(shè)計(jì)成“不穩(wěn)定”的構(gòu)型，由系統(tǒng)不斷調(diào)節(jié)。
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一項(xiàng)新研究發(fā)現(xiàn)，魚類懸停在水中時(shí)并不像看起來那般輕松，而是要消耗不少能量。這一發(fā)現(xiàn)為設(shè)計(jì)靈活的水下機(jī)器人提供了新思路。
美國加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校等機(jī)構(gòu)的研究人員在美國《國家科學(xué)院學(xué)報(bào)》上發(fā)表的論文介紹，科學(xué)界長期以來認(rèn)為魚類懸停在水中是一種類似休息的狀態(tài)，但他們通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，魚類在懸停時(shí)消耗的能量幾乎是靜止休息（即魚類靠著水底支撐重量）時(shí)的2倍，這是因?yàn)樗鼈冃枰粩鄤潉?dòng)魚鰭以維持身體穩(wěn)定。
研究人員對13種帶魚鰾的魚進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。他們將每條魚放入一個(gè)專門設(shè)計(jì)的水箱中，記錄它們在主動(dòng)懸停和靜止休息時(shí)的氧氣消耗情況。在魚懸停時(shí)，研究人員用高速攝像機(jī)拍攝它們，以捕捉每條魚鰭的運(yùn)動(dòng)方式及劃動(dòng)頻率。
研究人員還對每條魚的形態(tài)進(jìn)行了測量，特別是魚的重心與浮心（與魚鰾的位置和形狀有關(guān)）間的距離，以量化魚類的穩(wěn)定性水平。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，盡管魚鰾產(chǎn)生的浮力能讓魚類幾乎處于“失重”狀態(tài)，但重心與浮心不重合會(huì)導(dǎo)致魚類身體傾斜或翻滾，這迫使它們必須持續(xù)劃動(dòng)鰭來維持姿態(tài)。重心與浮心距離越大的魚種，在懸停時(shí)消耗的能量也越多，這表明對抗不穩(wěn)定性是懸停耗能的一個(gè)關(guān)鍵因素。
此外，魚類的體形和胸鰭位置也會(huì)影響其懸停效率。細(xì)長的魚類懸停效率較低，反之則懸停效率更高。胸鰭位置更靠后的魚在懸停時(shí)一般耗能更少，研究人員認(rèn)為這可能與杠桿效應(yīng)更好有關(guān)。
研究人員表示，這些發(fā)現(xiàn)可用于設(shè)計(jì)水下機(jī)器人和其他設(shè)備。以往水下機(jī)器人的設(shè)計(jì)傾向于追求高度穩(wěn)定的緊湊形狀，但就像魚類一樣，更穩(wěn)定的形狀往往意味著更差的機(jī)動(dòng)性。如果想讓水下機(jī)器人能在狹小空間中靈活穿梭，可以設(shè)計(jì)成“不穩(wěn)定”的構(gòu)型，由系統(tǒng)不斷調(diào)節(jié)。
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